Cientistas descobrem como uma única célula constrói um cérebro com 170 bilhões de células
Um cérebro humano começa como uma única célula. Com o tempo, essa célula solitária dá origem a um órgão extraordinariamente complexo contendo cerca de 170 mil milhões de células. Uma das maiores questões da neurociência do desenvolvimento é como todas essas células acabam nos lugares certos para formar um cérebro funcional.
Os pesquisadores do Laboratório Cold Spring Harbor acreditam agora que a resposta pode ser surpreendentemente simples. Seu novo trabalho oferece insights sobre como o cérebro se organiza durante o desenvolvimento e pode eventualmente influenciar pesquisas em áreas que vão da biologia à inteligência artificial.
Como as células cerebrais determinam sua identidade
Stan Kerstjens, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Anthony Zador, explica o desafio em termos de informação posicional.
“A única coisa que uma célula ‘vê’ é ela mesma e seus vizinhos”, explica ele. “Mas seu destino depende de onde ela está. Uma célula no lugar errado se torna a coisa errada, e o cérebro não se desenvolve direito. Então, cada célula deve resolver duas questões: Onde estou? E quem eu preciso me tornar?”
Num estudo publicado em NeurônioKerstjens, Zador e colaboradores da Universidade de Harvard e ETH Zürich propõem uma nova teoria que descreve como o cérebro em desenvolvimento atinge este nível notável de organização.
Além dos sinais químicos
Durante décadas, os cientistas acreditaram amplamente que as células comunicam informações posicionais através de sinais químicos. Segundo Kerstjens, essa explicação funciona bem em sistemas relativamente pequenos com número limitado de células.
O cérebro em desenvolvimento, entretanto, contém bilhões de neurônios que devem chegar cada um ao local correto. Como os sinais químicos enfraquecem à medida que viajam, os pesquisadores há muito se perguntam como as células localizadas nas profundezas de um cérebro em crescimento podem determinar com precisão onde estão.
Kerstjens sugere que parte da resposta pode vir de um processo que se assemelha à forma como as populações humanas se espalham ao longo das gerações.
“Considere como as populações humanas se espalharam por um país ao longo das gerações”, diz ele. “Os descendentes estabelecem-se perto dos seus pais, por isso as pessoas que partilham ancestrais acabam em regiões vizinhas, produzindo estruturas geográficas em grande escala sem comunicação de longo alcance. Argumentamos que um princípio semelhante opera no cérebro em desenvolvimento. As células que descendem do mesmo progenitor tendem a permanecer próximas umas das outras.”
Testando um modelo baseado em linhagem
Para investigar a ideia, os pesquisadores desenvolveram o que descrevem como um “modelo de informação posicional escalável baseado em linhagem”.
Eles primeiro usaram cálculos teóricos para explorar se o conceito poderia funcionar. Em seguida, eles examinaram padrões de expressão genética no desenvolvimento de cérebros de camundongos, observando tanto células individuais quanto grupos celulares maiores. Finalmente, testaram o modelo em peixes-zebra e encontraram resultados semelhantes, sugerindo que o mecanismo pode funcionar em cérebros de tamanhos diferentes.
As descobertas indicam que a sinalização química e a linhagem celular podem trabalhar juntas para fornecer informações posicionais durante o desenvolvimento.
Implicações para Biologia e Inteligência Artificial
Embora a investigação se concentre no cérebro, Kerstjens diz que o princípio subjacente pode ser aplicado a muitos outros tecidos em desenvolvimento, incluindo tumores.
A teoria também pode ter relevância para futuros sistemas de IA auto-replicantes. Tal como as células cerebrais podem herdar informações através de gerações de células, os futuros modelos de IA que transmitem informações de uma geração para a seguinte poderão potencialmente basear-se em princípios organizacionais semelhantes.
Talvez a implicação mais significativa seja o que o trabalho poderia revelar sobre a própria inteligência. Compreender como uma única célula se desenvolve num cérebro altamente organizado pode ajudar os cientistas a responder a algumas das questões mais profundas sobre a mente.
“O cérebro de alguma forma nos torna inteligentes”, diz Kerstjens. “Como conseguiu acumular essa capacidade, não apenas ao longo do tempo de desenvolvimento, mas ao longo do tempo evolutivo? Esta é uma peça desse grande quebra-cabeça.”
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